tính thấm của tế bào và mô

Overton 1895 - 1899 khi nghiên cứu tính thấm của tế bào và mô đã phát hiện ra hiện tượng rất quan trọng là khả năng thâm nhập của các chất vào tế bào phụ thuộc vào độ hoà tan của chúng

CHƯƠNG III TÍNH THẤM CỦA TẾ BÀO VÀ MÔ

Tế bào một hệ thống hở nên nó luôn luôn thực hiện quá trình trao đổi chất với môi trường bên ngoài Quá trình này chỉ có thể xảy ra nhờ khả năng của tế bào cho thâm nhập hoặc giải phóng các chất Khả năng đó của từng loại tế bào và

mô rất khác nhau và phụ thuộc vào trạng thái hoạt động của chúng

Tính chất đặc biệt này của tế bào và mô được gọi là tính thấm

I Các phương pháp nghiên cứu tính thấm

Để nghiên cứu tính thấm của tế bào và mô người ta thường sử dụng các phương pháp nghiên cứu cơ bản sau đây :

1.Phương pháp thể tích

Theo dõi động học sự thay đổi thể tích của tế bào khi chúng ở các dung dịch nhược trương có nồng độ khác nhau và quá trình hồi phục thể tích khi đưa tế bào vào dung dịch bình thường Để xác định quá trình này người ta sử dụng phương pháp

a.Ly tâm huyền dịch tế bào, rôi sau đó xác định thể tích của chúng bằng hồng cầu kế

b.Xác định thay đổi trong suốt của tế bào bằng phương pháp trắc quang c.Nghiên cứu sự thay đổi chiết suất của tế bào phương pháp này dùng để nghiên cứu các đối tượng có kích thước lớn và có độ bền cao trong dung dịch như tảo và hồng cầu

2.Phương pháp sử dụng các chất màu và các chất chỉ thị màu

Quan sát dưới kính hiển vi động học quá trình tích luỹ các chất có màu vào

tế bào

Các chất chỉ thị màu cho phép nghiên cứu tốc độ thâm nhập của các loại axit

và bazơ vào tế bào

3.Phương pháp phân tích hoá học

Quang phổ huỳnh quang, quang phổ hấp phụ nguyên tử và quang kế ngọn lửa

4.Phương pháp sử dụng các chất đồng vị phóng xạ (N 15 , C 14 )

II Màng tế bào

Tế bào về phương diện vật lý là một hệ nhiệt động mở, luôn luôn trao đổi vật chất và năng lượng với môi trường xung quanh

Tế bào có cấu trúc rất phức tạp và cấu trúc của mỗi loại tế bào đều phù hợp với chức năng nhiệm vụ của nó Tất cả các tế bào đều gồm 3 phần chính : màng

tế bào, nguyên sinh chất và nhân tế bào

Mọi tế bào đều được bao bọc bởi màng tế bào Màng tế bào đóng vai trò -Bao bọc tế bào, phân định ranh giới giữa tế bào với môi trường xung quanh Bảo vệ tế bào trước tác động của môi trường

-Tiếp nhận, truyền đạt và xử lý thông tin từ môi trường tới

-Thực hiện việc trao đổi vật chất và năng lượng đối với môi trường

Màng tế bào có cấu trúc phù hợp để thực hiện các vai trò trên

Hiện nay có nhiều giả thuyết về cấu trúc của màng tế bào Mô hình được chấp nhận là của Davson - Danielli về cấu trúc của màng sinh chất

Theo mô hình Davson - Danielli màng tế bào gồm 3 lớp chính : ở giữa là lớp phôtpholipit gồm 2 lớp phân tử phôtpholipit sắp đặt phân cực định hướng vuông góc với bề mặt tế bào, có xu hướng ngăn cản các ion và các chất hoà tan trong nước đi qua

Bao bọc 2 phía là các lớp phân tử protein, đầu tiên là lớp protein dạng sợi làm cho màng tế bào có tính đàn hồi và sức căng mặt ngoài nho Phía ngoài cùng

và trong cùng là lớp protein dạng cầu có lẫn protein nhầy và glycolipit Ở glycolipit có chứa các axit amin trung tính mà các nhóm COOH của chúng tạo nên lớp điện tích âm ở mặt ngoài màng tế bào

Màng tế bào thường có chiều dày khoảng 50 - 120A0, trên màng có những lổ thủng đường kính khoảng 7 - 8A0 và mỗi cm2 có khoảng 1010 lổ như thế, diện tích chung của các lổ chỉ chiếm khoảng 0,06% bề mặt tế bào

Mô hình Davson - Danielli

Màng tế bào ở các mô khác nhau có thuộc tính lý hoá và cấu trúc khác nhau nhưng đều có tính chất chung

-Lưỡng chiết quang

Protein d ng c u ạ ầ

Protein d ng c u ạ ầ Protein s i ợ

Protein s i ợ Photpholipit

-Sức căng mặt ngoài nhỏ

-Điện trở lớn

-Cấu trúc không đồng nhất

Gần đây những dẫn liệu thu thập được đã cho những hiểu biết mới về tính chất của màng và đưa tới sự phát triển một mô hình cải tiến về cấu trúc của màng sinh chất : đó là mô hình khảm động

Màng của nhiều loài sinh vật có mang protein đặc hiệu loài Trong những điều kiện nhất định người ta có thể làm cho tế bào người và tế bào chuột ( mang các protein khác nhau rõ rệt ) kết hợp với nhau để hình thành một tế bào lớn đơn nhất

Như vậy màng có tính chất rất linh động

Tính chất thứ hai được xác nhận qua kỹ thuật khắc lạnh Miếng mô nhỏ được làm lạnh đột ngột trong nitơ lỏng ( -1960C ) và bửa đôi trong chậu không Một màng cực mỏng cacbon và platin được cho lắng đọng trên bề mặt mô, cuối cùng mô được cho phân giải hết bằng enzym và để lại âm bản ( bản khắc ) cacbon - platin phản ảnh đúng như cấu trúc của bề mặt bị bửa gãy Mặt bửa gãy

ngang qua màng sinh chất, tách riêng hai nửa của lớp kép lipit và lộ ra các protein mang như các mấu lồi trong cấu trúc màng

Từ các quan sát này người ta đưa ra mô hình mới về cấu trúc màng sinh chất gọi là mô hình khảm động Theo mô hình này, lớp lipit kép vẫn làm khung cho màng, tuy nhiên ở đây các phân tử photpholipit có thể di động tự do với điều kiện giữ nguyên hướng phân bố trong một nửa lớp kép của chúng Colesterol hạn chế một mức độ nhất định sự di chuyển của photpholipit do đó tạo sự ổn định trong cấu trúc của màng Protein màng bao gồm cả loại cầu và loại sợi, một số được gọi

là protein xuyên màng, các protein khác gọi là protein bám màng cố định ở một nửa lớp kép hoặc chỉ bám vào bề mặt của màng

Mô hình khảm động của cấu trúc màng sinh chất

III Các con đường xâm nhập của vật chất vào trong tế bào

Vật chất xâm nhập vào trong tế bào bằng hai con đường chính : các chất hoà tan trong nước và các ion thâm nhập vào tế bào qua siêu lỗ, còn các chất hữu cơ hoà tan tốt trong lipit thì xâm nhập vào tế bào bằng con đường hoà tan trong lipit

1.Các chất thâm nhập vào tế bào qua siêu lỗ

Siêu lỗ là những lỗ xuyên màng và gắn liền nội bào với môi trường bên ngoài, siêu lỗ có kích thước từ 3,5 - 8A0, bên trong có chứa nước

Các chất có khả năng hoà tan trong nước ( đường, axit amin và các ion muối khoáng ) thâm nhập vào tế bào qua các siêu lỗ Để vào được trong tế bào chúng phải vượt qua hàng loạt hàng rào năng lượng : đầu tiên các phân tử này phải tách ra khỏi lớp vỏ dung hợp, lách qua lớp phân tử trên bề mặt của màng tế

bào, vượt được lực tương tác giữa các nhóm phân cực nằm trong siêu lỗ và do đó chúng phải cần có một năng lượng nhất định

2 Các chất thâm nhập vào tế bào qua con đường hoà tan trong lipit

Các chất không hoà tan trong nước nhưng hoà tan tốt trong lipit thì thâm

nhập vào tế bào bằng con đường hoà tan trong lipit

Overton ( 1895 - 1899 ) khi nghiên cứu tính thấm của tế bào và mô đã phát hiện ra hiện tượng rất quan trọng là khả năng thâm nhập của các chất vào tế bào phụ thuộc vào độ hoà tan của chúng trong lipit ( hiệu ứng Overton đối với các chất gây mê ) như sau : Theo tác giả tất cả các hợp chất hoá học cũng như các gốc nằm trong cấu trúc phân tử phân cực và các phân tử không phân cực Các phân tử phân cực có chứa các nhóm OH, COOH và NH2, các chất có chứa các nhóm không phân cực như nhóm Metyl ( CH3 ), etyl ( C3H5) và phenyl (C6H5) Các phân tử không phân cực tan tốt trong lipit nên chúng có khả năng thấm vào

tế bào tốt

Nhưng cũng có trường hợp ngoại lệ như urê và glucoza chúng hoà tan kém trong lipit nhưng thâm nhập vào tế bào rất nhanh, ngược lại trimetyl hoà tan tốt trong lipit nhưng khó thâm nhập vào bên trong tế bào

Một số tác giả cho rằng sở dĩ urê thấm vào tế bào nhanh chóng là do urê có khả năng liên kết với các phân tử protein tạo thành một hợp chất có khả năng phá huỷ một số protein có cấu trúc dạng cầu nằm trên màng nên chúng thâm nhập vào tế bào nhanh hơn

IV Cơ chế xâm nhập của các chất vào trong tế bào

Vận chuyển vật chất qua màng là một quá trình rất phức tạp Dựa vào sự khác nhau tương đối về động lực và cơ chế người ta chia vận chuyển vật chất qua màng tế bào làm 3 loại chính sau

-Vận chuyển thụ động

-Vận chuyển tích cực

-Thực bào và ẩm bào

1 Sự vận chuyển thụ động

Vận chuyển thu động là quá trình vận chuyển qua màng có động lực là các loại gradien khác nhau tồn tại ở hai phía của màng Năng lượng cung cấp cho các loại vận chuyển này được lấy ngay ở phần năng lượng dự trữ trong các gradien tế bào không cần phải cung cấp thêm năng lượng từ các phản ứng hoá sinh Chiều vận chuyển do tổng các vectơ gradien ở vùng màng quyết định

Các loại gradien tồn tại giữa tế bào và môi trường như sau

-Gradien thẩm thấu xuất hiện khi có sự chênh lệch về áp suất thẩm thấu giữa bên trong và bên ngoài tế bào

-Gradien nồng độ : xuất hiện khi có sự chênh lệch nồng độ của các chất giữa trong tế bào và dịch bao quanh tế bào

-Gradien màng xuất hiện khi có màng bán thấm : các phân tử có kích thước nhỏ qua màng vào tế bào hoặc thoát ra ngoài khó Kết quả là nồng độ ở hai phía của màng tế bào sẽ khác nhau

-Gradien điện hoá : gây ra bởi sự chênh lệch thế điện hoá

-Gradien độ hoà tan : xuất hiện ở ranh giới 2 pha không trộn lẫn được trong trường hợp chất dã cho có độ hoà tan trong hai pha không giống nhau

Do có nhiều loại gradien ở vùng màng nên sự vận chuyển vật chất qua màng không chỉ phụ thuộc vào sự chênh lệch nồng độ giữa trong và ngoài màng

Ví dụ : Do có gradien màng mà nồng độ kali ở trong tế bào thường xuyên lớn gấp 30 - 50 lần nồng độ của nó trong huyết thanh hay dịch mô

Chiều vận chuyển vật chất phụ thuộc vào các yếu tố sau

-Tương quan giữa các gradien ở vùng màng ( về cả chiều và giá trị )

-Mức độ trao đổi chất

-Tương quan giữa các quá trình tổng hợp và phân huỷ các đại phân tử quan trọng của nguyên sinh chất

Vận chuyển thụ động vật chất qua màng tế bào có thể thực hiện theo nhiều

cơ chế khác nhau, song quá trình khuếch tán là cơ chế chủ yếu Ta xét 3 dạng khuếch tán

-Khuếch tán đơn giản

-Khuếch tán trao đổi

-Khuếch tán liên hợp

a.Khuếch tán đơn giản

Sự khuếch tán tuân theo qui luật Fhich, tốc độ khuếch tán tỷ lệ thuận với gradien nồng độ và diện tích khuếch tán

dx

dc DS dt

dm =−

Trong đó

dt

dm

: Tốc độ khuếch tán

D : Hệ số khuếch tán

S : diện tích khuếch tán

dx

dc

: gradien nồng độ

Anhstanh đã thiết lập hệ thức biểu diễn sự phụ thuộc giữa hệ số khuếch tán (D) và các yếu tố liên quan

D = ϕ ϕ

KT x

N

RT 1 =

Trong đó

R : hằng số khí lý tưởng

N là số Avogadro

T Nhiệt độ tuyệt đối của dung dịch

ϕ : là hệ số ma sát phân tử biểu diễn sự cản của môi trường lỏng đối với chuyển động nhiệt của phân tử, có thể coi ϕ = Kη

η là hệ số nhớt của môi trường

K là hệ số đặc trưng cho hình dạng của phân tử

Hệ số khuếch tán phụ thuộc vào bản chất của chất khuếch tán và vào nhiệt độ

Do khó xác định gradien nồng độ của chất vì độ dày của màng thường thay đổi và rất khó xác định, nên để đơn giản người ta thường dùng phương trình sau ( phương trình Colender và Belund )

)

2

(C PS dt

dm = −

Trong đó :

P là hệ số thấm

C1 và C2 là nồng độ của chất ở hai phía của màng

Có thể xác định được giá trị của P bằng thực nghiệm Hệ số thấm P của màng phụ thuộc vào :

+tác động qua lại của các loại phân tử đi qua màng

+Sự tham gia của các phân tử và ion vận chuyển vào các quá trình trao đổi vật chất trong tế bào

+Tốc độ vận chuyển của dung môi qua màng

b.Khuếch tán trao đổi

Sự khuếch tán trao đổi xảy ra khi có sự tham gia của chất mang và các phân tử chất mang thực hiện một quá trình vận chuyển vòng Sau khi mang phân

tử cơ chất ra phía ngoài màng tế bào rồi, phân tử chất mang lại gắn ngay với một phân tử cơ chất khác cùng loại ở ngoài màng tế bào rồi lại vận chuyển nó vào phía trong tế bào

c.Khuếch tán liên hợp

Khuếch tán liên hợp là quá trình vận chuyển vật chất qua màng theo gradien nồng độ, song các phần tử vật chất chỉ lọt qua màng khi được gắn vào phân tử khác gọi là chất mang Glucoza, glyxerin, axit amin và một số chất hữu

cơ khác vận chuyển theo cơ chế này Các chất mang có tính đặc trưng, chúng chỉ

liên kết với một loại phân tử hoặc phân tử khác nhưng phải có cấu trúc rất giống với loại trên

Màng

Khuếch tán liên hợp không những thực hiện bằng chất di động mà bằng cả chất chuyển cố định trong màng

Hiện nay vẫn chưa xác định được bản chất của chất chuyển trong khuếch tán trao đổi và khuếch tán liên hợp Người ta chỉ biết rằng các quá trình này không đòi hỏi chi phí năng lượng

2 Sự vận chuyển tích cực

Vận chuyển tích cực chỉ có thể xảy ra khi có sự tham gia của các phân tử chất mang Các chất mang có thể đặc hiệu hoặc không đặc hiệu

Hai đặc trưng chính của vận chuyển tích cực là :

-Luôn luôn xảy ra theo chiều ngược với chiều gradien nồng độ hay gradien điện hoá

-Hiện tượng vận chuyển luôn luôn cần cung cấp năng lượng Nguồn năng lượng là từ sự phân ly glycogen hay từ sự thuỷ phân ATP

Có thể chia vận chuyển tích cực ra thành 3 cơ chế :

+Chuyển dịch nhóm : Ơ đây cơ chất bị vận chuyển bị thay đổi qua sự tạo thành những liên kết đồng hoá trị mới, năng lượng để vận chuyển bằng năng lượng cần thiết tạo ra cơ chất

+Vận chuyển tích cực tiên phát là tạo ra những liên kết đồng hoá trị mới trong chất mang, năng lượng để vận chuyển bằng năng lượng cần thiết để làm thay đổi hình dáng chất mang

+Vận chuyển tích cực thứ phát : Ở đây cơ chất đầu được vận chuyển tích cực, ví dụ Na+ tạo ra thế năng gradien điện hoá, mà thế năngnày chi phối sự vận chuyển của cơ chất thứ 2, ví dụ đường, axit amin theo gradien này

Ví dụ : Sự vận chuyển tích cực ion Na+ và K+ ( vận chuyển tích cực tiên phát ) Đây là sự vận chuyển các ion Na+ và K+ theo chiều chống lại gradien điện hóa,

sự vận chuyển này chỉ xảy ra khi có mặt ATP và ion Mg++ Qua tính toán Holkin thấy rằng năng lượng giải phóng ra do quá trình phân huỷ 1mol ATP có thể đủ cho sự vận chuyển 1 mol cation qua màng ngược gradien điện hóa Đối với vận

chuyển Na+ thì cứ 1 mol ATP vận chuyển được 3 mol Na+ đi ra và 2 mol K+ đi vào ( thực nghiệm trên hồng cầu )

Một trong những đặc trưng của hệ thống sống là sự phân bố không đồng đều của các chất giữa môi trường và nội bào Ví dụ : trong hồng cầu, tế bào cơ, tế bào thần kinh nồng độ ion K+ lớn gấp 30-50 lần nồng độ K+ ở huyết thanh và bạch huyết , còn nồng độ Na + lại nhỏ hơn 8-10 lần và nồng độ ion Cl - nhỏ hơn 50 lần Sở dĩ như vậy vì màng tế bào có tính thấm chọn lọc, các tế bào có khả năng hấp thụ và tích lũy những chất cần thiết cho hoạt động sống của mình

Sự thâm nhập của các chất vào trong tế bào theo chiều ngược tổng gradien

và tiêu tốn năng lượng được gọi là quá trình vận chuyển tích cực

Ví dụ khi nghiên cứu trên tế bào hồng cầu người ta nhận thấy có khoảng 10

% năng lượng tự do được sử dụng để duy trì sự phân bố không đồng đều của các ion

a Sự vận chuyển tích cực các ion dương

Đối với các ion dương, có nhiều giả thuyết cho rằng trong màng phải có một

cơ chế đặc biệt, có khả năng duy trì nồng độ ion cố định, cần thiết cho hoạt động sống của tế bào

Ví dụ : Sự vận chuyển tích cực ion Na+ và K+ Đây là sự vận chuyển các ion

Na+ và K+ theo chiều chống lại gradien điện hóa, sự vận chuyển này chỉ xảy ra khi có mặt ATP và ion Mg++ Qua tính toán Holkin thấy rằng năng lượng giải phóng ra do quá trình phân huỷ 1mol ATP có thể đủ cho sự vận chuyển 1 mol cation qua màng ngược gradien điện hóa Đối với vận chuyển Na+ thì cứ 1 mol ATP vận chuyển được 3 mol Na+ đi ra và 2 mol K+ đi vào ( thực nghiệm trên hồng cầu )

Trên cơ sở nhiều số liệu thực nghiệm, hiện nay người ta thừa nhận các ion chỉ có thể vận chuyển tích cực qua màng nhờ năng lượng thủy phân ATP dưới tác dụng của men ATP- aza Trong tất cả các loại men ATP-aza, loại quan trọng nhất đối với sự vận chuyển tích cực ion Na+ và ion K+ là ATP-aza được hoạt hóa bởi chính những ion đó Sau này Scau ( 1957) đã chứng minh được vai trò của ion Mg++ trong quá trình hoạt hóa men này

Cơ chế vận chuyển tích cực các ion Na+ và K+ có thể giải thích bằng sơ đồ sau :

1 M1 + Na+ + Mg-ATP ← Na M1 ~ P + Mg++ + ADP

2 Na M1 ~ P →x NaM2 ~ P

3 NaM2 ~ P M2 ~ P + Na+

4 M2 ~ P + K+  → KM2 ~ P

5 KM2 ~ P  →y KM1 ~ P

6 KM1 ~ P  → M1 + P + K+

Ở giai đoạn (1) Na+ gắn vào chất mang M1, chất mang M1 xuất hiện cùng với MgATP ở mặt trong của màng tế bào Quá trình photphorin hóa xảy ra, cung cấp năng lượng cho phức hợp NaM1 ~ P lọt qua màng tế bào Do tác dụng của chất x

ở mặt ngoài màng tế bào, cấu trúc của phức hợp NaM1 ~ P bị biến đổi thành phức hợp NaM2 ~ P Ở giai đoạn ( 2 ) lúc này M1 bị biến thành M2 Sang giai đoạn (3)

do chất mang M2 gắn rất yếu với Na+ nên phức hợp này bị phân ly và Na+ đã ra môi trường ngoài Ở giai đoạn ( 4 ) chất mang M2 gắn với K+ ở mặt ngoài màng

tế bào thành phức hợp KM2 ~ P, phức hợp này đi vào phía trong tế bào Trong giai đoạn ( 5 ) phức hợp KM2 ~ P bị biến đổi dưới tác dụng của chất y thành

KM1 ~ P, tức là M2 biến thành M1 Do ái lực của M1 với K+ nhỏ nên phức hợp

M1K ~ P bị phân ly ở giai đoạn ( 6 ) giải phóng K+ và P vào trong tế bào Quá trình sau đó lại cứ tiếp diễn

Như vậy quá trình vận chuyển tích cực Na+ và K+ luôn xảy ra đồng thời với sự thuỷ phân ATP Theo Hogdkin, Rat và Scou ( 1954 ) đây là cơ chế bơm “ natri và kali “ Các kết quả thực nghiệm đã cho thấy để xảy ra thuỷ phân ATP cần phải có một loại men đặc hiệu là adenozin triphophataza Do men này chỉ có hoạt tính khi có mặt các ion Na+ và K+ nên người ta còn gọi là Na+- K+ -ATP-aza

Có thể minh họa cơ chế bơm “ Natri và Kali “ qua sơ đồ sau :